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      什么是5G+工業互聯網?

      作者:超管 發布時間:2021-04-14 10:44:37

       

      從消費互聯網到工業互聯網在這個互聯網如我們生活中的水和電一樣無孔不入的時代,不能聯網的設備是可恥的。它們像是一個一個的信息孤島,原始而靜寂。

      然而50年前,這樣的信息孤島卻是這個世界的常態,直到美國阿帕網的誕生。

      它一開始僅用于軍事,但一投入民用,便爆發出了空前的生命力,以「互聯網」成其名。

      這張互聯網在全球急劇擴張,把其神經末梢延伸到了地球的每一個角落。

      曾經,這個末梢是無數的個人電腦(Personal Computer,簡稱PC機),顯示器背后的人們孜孜不倦地汲取著外部世界的信息,同時向外傳播自己的聲音。

      這張由大量PC機終端組成的互聯網就叫做PC互聯網。但PC機大而重,沒法隨身攜帶,人又不可能隨時都守在電腦跟前,所以有了「在線」和「離線」的概念。在電腦跟前,信息可達就是「在線」,反之就是「離線」。

      隨著3G和4G網絡帶來的高速上網服務,以及智能手機的普及,手機逐漸取代PC機成為了互聯網的末梢,移動互聯網迅速發展,并幾乎覆蓋了幾乎所有的智能手機用戶。

      手機的特點是可以揣在兜里隨身攜帶,并且4G網絡覆蓋完善隨時可達,原先「在線」和「離線」的說法就沒有了意義。也就是說,在移動互聯網時代,大家都是「實時在線」的。

      移動互聯網是一個劃時代的革命,它深刻地改變了人們(尤其是中國人)的生活方式。手機在手,生活無憂,出門可以不帶錢,但沒了手機就寸步難行。

      隨著智能手機普及率的不斷提升,人口紅利趨近結束,移動互聯網的發展已經接近飽和狀態。

      于是,為了尋求新的藍海,互聯網的概念進一步擴展,從「生活方式」向「生產工具」的不斷延伸。

      這樣一來,原先的PC互聯網和移動互聯網被被統稱為「消費互聯網」。

      和消費這個詞對應的,自然就是生產,因此用于生產的互聯網就被稱作「工業互聯網」。

       

      什么是工業互聯網?

      早在2012年,美國通用電氣公司在提出「工業互聯網」這個概念時,是這么說的:

      「工業互聯網,就是把人、數據和機器連接起來」。

      也就是說,工業互聯網的三要素,是人、數據、機器。

      人和人的連接,就是傳統的互聯網;物和物(機器)之間的連接,就是近來發展迅速的物聯網;而網絡存在的核心,自然就是數據中蘊藏的巨大價值。

      可以看出,工業互聯網其實并太多沒有新的技術,更多的是架構的整合,從而把互聯網中成熟的網絡架構和技術移植到工業生產的應用中,用于效率的提升。

      工業互聯網可以從「網絡」,「數據」和「安全」這三個方面來理解。

      網絡是基礎,即通過互聯網,物聯網等技術實現工業全系統的互聯互通,促進工業數據的充分流動和無縫集成。

      數據是核心,即通過網絡采集得到的工業生產全周期的海量數據,并進行大數據分析,形成基于數據的智能系統,實現機器彈性生產,運營管理優化,生產協同組織以及商業模式創新。

      安全是保障,如果沒有嚴密的安全保障體系,上層的應用就無從談起,網絡和數據的價值就難以得到良好的應用。

      上圖是根據工業互聯網聯盟的圖重繪的,可以看出在物理系統,網絡,數據,安全,以及應用和用戶中存在三個閉環(也就是圖中三個紅色的虛線圓圈)。

      首先是面向設備運行優化的閉環。通過工廠車間內的物聯網系統采集機器操作數據和生產環境數據,再經過邊緣計算進行分析,實現設備的動態智能調整和生產質量控制。

      然后是生產運營優化的閉環。其核心是基于上一層閉環中的數據分析結果,進行生產建模,仿真和分析,并將結論用于車間/工廠/企業的運營決策優化。

      最后是面向企業協同,用戶交互及企業服務優化的閉環。這一層次的閉環終于走出了企業內部局域網的范圍,真正實現了企業間的工業系統互聯和數據共享??捎糜谄髽I之間的資源組織,商業活動創新,形成網絡化協同,個性化軟件定制,服務化延伸等新模式。

      5G+工業互聯網?

      說了這么多,5G到底能在工業互聯網中承擔哪些重任呢?

      我們還是先祭出這張經典的圖片。三角形的三個頂點國際電聯定義的就是5G三大應用場景:增強型移動寬帶(eMBB),大規模機器類型通信(mMTC),超可靠和低延時通信(uRLLC)。



      如果5G像4G一樣,僅僅用于支撐消費互聯網的話,僅僅需要eMBB就足夠了。

      畢竟普通手機用戶要的是網速,所謂的mMTC專注于大連接數,速率低和時延大,在手機上毫無用武之地;那么uRLLC呢?人的反應速度至少就要100毫秒了,5G在手機上要1毫秒的超低時延完全沒有意義。

      也就是說,5G的大部分應用場景都不是給人用的,理所當然也就不是給消費互聯網用的。那給誰用呢?結果顯而易見,那就是工業互聯網。

      工業互聯網包含多個不同的垂直行業,需求包羅萬象,5G要在其中發揮作用,無非是作為網絡基礎設施,然后借助它高速率,大連接,與超可靠低時延這三項能力,在其上構筑適合的行業應用。

      這些行業應用在初期大多用于智慧園區的安防,巡檢,遠程協助,虛擬培訓等外圍應用,用于核心的工業制造控制還比較困難,隨著業界不斷的研究和試探,待到更多應用的成熟,后續才會逐步觸碰到工業核心控制環節。

      以下是一些5G用于工業互聯網的例子。

      1、5G+超高清視頻:隨著技術的發展,超高清視頻已經不再局限于監視,錄像,回放等傳統功能,對視頻流的清晰及流暢度提出了更高的要求。

      在工業環境下高清視頻的主要應用是:智慧園區的安防,人員管理等場景。

      通過5G將采集的監控視頻/圖像實時回傳,結合邊緣計算(MEC)統一監控平臺,實現人員違規,廠區環境風險監控的實時分析和能耗在線監測報警,提高作業安全性。

      在超高清采集分析的技術上,經過人工智能的分析,視頻應用逐漸向字符識別,人臉識別,視覺定位,行為分析,物體識別,物體測量,物體分揀等智能化發展,也就可稱之為「機器視覺」。

      到了這個層次,5G+機器視覺就可以用于工業生產的某些環節了。

      2、5G+VR/AR:VR需要超高帶寬和時延才能讓人虛擬現實的感受更真實,而AR對帶寬和時延的要求相對來說寬松一些。

      VR由于沉浸,交互和構想這三大特點,在工業互聯網中的主要應用是虛擬裝配,虛擬培訓,虛擬展廳等場景,720°全景的展示讓人身臨其境,信息傳遞更豐富而直觀。

      AR則融入到了工業制造的交互,營銷,設計,采購,生產,物流和服務等多個環節。

      比如,通過AR遠程協助,專家可遠程在AR眼鏡中實時標注設備狀態和操作方法,實現了現場人員和遠程專家等零距離溝通。

      3、5G+無人機:工業級無人機可以通過5G進行遠程操控,并進行實時高清視頻回傳,可用于智慧園區的24小時不間歇,無死角的安防,或者惡劣環境下的設備巡檢等場景。

      4、5G+遠程控制:在工業環境中,很多場景不適合人進行作業,比如高位,高空,有毒等惡劣環境,這就需要遠程控制。

      遠程控制不但需要超高清視頻的回傳,還需要極低的時延和可靠性。5G正好可以滿足這些方面的要求。

      在上述幾種應用場景中,5G與超高清視頻的融合應用已進入成熟期,將成為5G在工業互聯網領域的第一批應用場景。

      5G+VR/VR,5G+無人機以及5G+機器視覺等應用已進入高速發展期,經濟價值逐漸顯現,未來將成為5G在工業互聯網的主流應用場景。

      5G+遠程控制等應用涉及工業核心控制環節,目前還處于探索期,還有待進一步的測試驗證。

      實現以上的應用場景需要兩個關鍵技術:5G網絡切片和邊緣計算。

      5G網絡切片在一個物理網絡上實現多個資源隔離的邏輯網絡。

      不同特點的應用,對于網絡的需求千差萬別。有的要求大帶寬,有的要求大連接,還有的要求低時延,同一網絡下同時滿足這些要求代價很大,而網絡切片可以通過給它們定制不同的邏輯網絡來滿足。

       

      綜合商業視角,切片網絡的目標架構包括商業層,切片管理層和網絡層。

      商業層為垂直客戶提供切片設計服務以及購買入口;切片管理層提供切片調度,管理和實例化;切片網絡層就是支撐上層應用的物理設備和邏輯模塊。

      邊緣計算(MEC,Multi-access Edge Computing,多接入邊緣計算),就是讓大量的數據計算在網絡的邊緣就近進行。

      這樣不但可以降低時延,還可以減少向上的傳輸帶寬,更重要的是把關鍵數據保存在企業之內,更具安全性。

      5G可天生支持MEC。由于5G核心網采用了用戶面和控制面分離的服務化架構,其用戶面單元UPF可以很方便得部署在企業內,甚至MEC服務器之上,從而實現用戶面就近處理,關鍵數據也不會流出企業。

      5G+MEC的架構如下圖所示。

      綜上,有了5G對eMBB,mMTC和uRLLC這三大應用場景,網絡切片,邊緣計算,以及核心網用戶面下沉的支持,才能更好地服務工業互聯網。

      并且,這些5G功能必須在SA場景下才能實現,這也是中國目前大力發展5G SA部署模式的原因之一。

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